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2020年 第31卷 第16期    刊出日期：2020-08-25
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机械基础工程
螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性
徐鲁帅1;王赟磊1;张帆1;郝木明2;袁小阳1
2020, 31(16):  1891-1900.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.001
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建立了螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性的计算模型，耦合求解了含流量因子、接触因子及质量守恒空化边界的雷诺方程、弹塑性粗糙峰接触方程及动力学方程，比较了不同运行工况及结构参数的润滑状态转变过程。结果表明：增速阶段流体承载力与液膜厚度不断增大，粗糙峰承载力逐渐减小至消失；相比较于流体动压润滑状态，混合摩擦状态的液膜刚度较大且振荡幅值明显，在到达脱开转速时刻有较大的轴向速度突变。受挤压效应影响，较小的启动加速度可以在低转速下进入流体润滑状态，较高的外压和较低的内压均有利于润滑状态的转变。随槽数的增加，脱开转速呈先增大后减小趋势，螺旋角与槽深的减小或槽坝比的增大均对润滑状态转变能力起促进作用。
改进时频分析和特征融合在内燃机故障诊断中的应用
蔡艳平;范宇;陈万;张金明
2020, 31(16):  1901-1911.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.002
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针对基于内燃机振动信号的故障识别诊断问题，首先提出一种基于阈值筛选的变分模态分解(VMD)、玛基诺-希尔时频分布(MHD)的时频分析方法，该方法针对Cohen类时频分布存在的交叉干扰项问题，通过阈值筛选法确定VMD算法的分解层数，从而将内燃机振动信号分解成一系列单分量模态信号，然后对单分量信号进行MHD时频表征及线性叠加得到时频聚集性优良、物理意义明确的振动信号时频谱图。再通过局部非负矩阵分解(LNMF)对时频图像特征进行提取，将提取的特征与振动信号时域参数进行特征融合，得到融合特征向量。对支持向量机(SVM)采用改进粒子群优化算法进行参数优选，然后对特征向量进行训练和测试，实现了内燃机的故障识别诊断。将该方法应用于内燃机气门间隙故障8种工况下缸盖振动信号的识别诊断试验，结果表明，该方法能够对不同工况振动信号进行有效识别分类。通过参数优选，最高识别率达到了99.17%，同时对比传统的最近邻分类器的分类结果，证明了该方法的优越性。
焊缝X射线探伤图像自动搭接检测方法
张帆1,2;张伯言3;史潇婉1;张新红4
2020, 31(16):  1912-1916,1930.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.003
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针对焊缝探伤图像造假的现象在工程中比较普遍，而目前主要通过人工读片方式进行检查，检查效率低下、容易漏检。提出了一种基于图像处理的方法对焊缝的搭接区域进行自动定位、分割和比对，建立了焊缝探伤图像搭接自动检测系统，检测是否存在焊缝图像造假的现象。基于拉东变换找到搭接定位标记，从焊缝图像中切割出搭接区图像，采用尺度不变特征变换算法进行搭接匹配，计算两个搭接区图像的结构相似度。最后根据SIFT关键点的匹配点数和结构相似度判断两个搭接区图像是否匹配。实验结果表明，该方法的焊缝图像搭接自动检测准确率达到 87.3%。
在轨可更换模块对接接口技术综述
庄原1;孔宁2;任杰2;刘育强1;王耀兵1;张杰2;王文龙1;马帅2
2020, 31(16):  1917-1930.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.004
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针对航天工程上对航天器进行模块更换的在轨服务与维护技术需求，梳理了国内外在轨可更换模块对接接口技术的研究进展和成果。从对接接口与机械臂动作特点出发，重点对其技术需求、功能原理、性能指标等进行了综述，对国内外在轨可更换模块对接接口技术的差距进行了对比分析，并提出了我国在轨可更换模块对接接口关键技术的发展方向。
基于荷电状态的锂离子电池组主动均衡控制
张凯1;赵鹏2;王友仁1;徐智童1;陈则王1
2020, 31(16):  1931-1939.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.005
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针对锂离子电池组中单节电池间的差异性会对电池组的可使用寿命以及容量利用率造成严重影响，设计了一种电感式主动均衡电路。基于递推最小二乘扩展卡尔曼滤波(RLS-EKF)算法在线估算锂离子电池的荷电状态(SOC)，同时以SOC值作为均衡准则对锂离子电池组实施均衡控制，实现了一种主动均衡控制策略，并开发了锂离子电池组能量均衡管理系统测试平台。实验结果表明,RLS-EKF算法的SOC估算误差在3.5%以内，并且所提出的主动均衡控制方法极大改善了电池间的差异性，电池的容量利用率大幅度提高。
智能制造
基于混合教学优化算法的多车间协作综合调度
廖不凡1;雷琦1;吴文烈2;宋豫川1;郭伟飞1
2020, 31(16):  1940-1949.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.006
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目前在处理加工属性类似的多车间协作综合调度问题时，几乎都是采用调度规则，对产品加工工艺结构的依赖度过高，降低了算法对同一类问题不同实例的适应性，并且对大型实例的求解结果普遍欠佳，为此提出了一种混合教学优化算法。该算法在基本教学优化算法的基础上加入采用变异操作模拟的自学习阶段，提高其局部搜索能力，并且在教学、互学和自学三个阶段均按照模拟退火算法中Metropolis准则计算的概率，随机接受学生群体中某一个较差个体作为新个体，进一步提高算法跳出局部最优解的能力；教学、互学和自学三个阶段设计的变换操作均考虑综合调度问题中各虚拟工序之间的顺序约束关系，保证生成的解均是可行解。通过测试以往该类问题实例，得到的结果验证了所提算法的可行性和有效性。
八自由度连续体操作臂的运动学分析与仿真
李凤刚;赵磊;何广平;杨淼
2020, 31(16):  1950-1959.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.007
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从内窥服务的灵活性与安全性角度出发，设计了一款具有柔性骨架通过套管拉线驱动的八自由度连续体操作臂，基于分段恒定曲率假设和旋量理论得到了操作臂的全局正逆运动学解析解。为实现气瓶、油箱以及口腔等小入口腔体内表面状态的自动内窥检测，提出了一种协调工作空间与关节空间的“双空间协同运动规划法”。最后，通过数值仿真验证了运动学模型和运动规划方法的有效性。
基于长短时记忆卷积神经网络的刀具磨损在线监测模型
何彦1;凌俊杰1;王禹林2;李育锋1;吴鹏程1;肖圳1
2020, 31(16):  1959-1967.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.008
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为了提高机械加工过程中刀具磨损在线监测的准确性，提出了一种基于长短时记忆卷积神经网络（LSTM-CNN）的刀具磨损在线监测模型。在该监测模型中，通过振动、力、声发射传感器对刀具切削过程中的振动、力和声发射信号进行采集，采集的数据其本质为时间序列数据。考虑采集数据的序列和多维度特性，采用LSTM-CNN网络对采集的数据进行序列和多维度特征提取，利用线性回归实现特征到刀具磨损值的映射。通过实验验证了该模型的有效性和可行性，模型的精度较其他几种方法有了较大的提高。
软体机械手遥操作系统的设计与分析
姚建涛;陈新博;陈俊涛;魏纯杰;张帅;李海利;赵永生
2020, 31(16):  1968-1977.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.009
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面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求，搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则，设计制作了软体弯曲致动器，根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正，为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构，提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略，在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模，在Unity3D中搭建了虚拟作业场景，通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验，验证分析力学模型的准确性；开展遥操作手势映射实验，分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。
基于混合式特征选择模型的晶圆允收测试关键参数识别方法
吕佑龙;许鸿伟;郑城;张洁;郑鹏
2020, 31(16):  1978-1984,1997.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.010
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晶圆允收测试是晶圆加工过程的关键环节，对其中的关键测试参数进行准确分析识别有助于准确预测晶圆良率、及时发现工艺缺陷。针对测试参数维度高、数据冗余性强、关键特征不显著的特点，以最小化晶圆允收测试参数量和晶圆良率预测误差为目标，提出了过滤式与封装式相结合的混合式特征选择方法。在过滤式预筛选中，通过互信息度量各参数与晶圆良率的相关性，以及各参数之间冗余性，并根据最大相关、最小冗余准则，缩小候选参数规模；在封装式精选中，以遗传算法实现候选参数的编码、寻优，根据神经网络的晶圆良率预测误差进行适应度函数评价，进一步精选关键特征。最后，采用标准数据集和实例数据对所提方法进行了有效性验证。
工程前沿
双机械手变速协同输送控制策略研究及应用
王梁1;安兴运2;张雪琴2;王义林1;张宜生1
2020, 31(16):  1985-1990.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.011
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基于智能先进、高效稳定的制造理念，针对双机械手接续输送物料同步交接的问题，提出了一种在有限交接区间限制条件下的高效双机械手协同工作的快速输送方法。通过运动学分析，设计构建了双机械手协同输送实验平台，研究了多种可行方案中影响快速同步的主要因素，给出了多种协同输送工作方法的实现过程。考虑到速度与稳定性的综合指标，以及最小同步交接距离的需要，采用两级变速控制同步方法，板料输送节拍缩短超过11%。
双电机消隙技术在串联机械臂中的仿真与应用
江勇;张伟;刘晓源;金博丕
2020, 31(16):  1991-1997.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.012
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典型非线性齿隙广泛存在于机器人伺服系统中，为了减小齿隙对系统性能的影响，对串联机械臂采用双电机主从驱动消隙技术。首先基于双电机消隙系统的基本原理及结构建立了齿隙弹性死区非线性模型；然后根据双电机系统的动力学推导公式，建立了所采用的双电机偏置力矩消隙控制策略的Simulink模型，并给出了系统的算法框架及伺服系统硬件电路原理；最后根据实际工程设计参数数据进行原理仿真，并通过激光跟踪仪对采用双电机消隙技术的串联机械臂系统进行精度测试实验验证。仿真及实验结果表明：建立的数学模型能够反映实际系统的基本特性；工作空间为4.5 m的串联机械臂末端精度达到1.2 mm，满足工程应用性能指标要求。
先进材料加工工程
负泊松比曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学数值研究
沈建邦;肖俊华;梁希;徐耀玲
2020, 31(16):  1998-2004.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.013
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利用数值方法研究了具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学性能，讨论了冲击速度和弧角对曲边内凹蜂窝结构的变形模式与吸能能力的影响。研究结果表明：改变冲击速度和弧角的大小会影响曲边内凹蜂窝结构的变形失效模式；当冲击速度较高时，蜂窝结构内的应力波动范围较大，结构的体能量吸收值随弧角的增大逐渐增大；当冲击速度较低时则不存在上述现象。当弧角大于120°时，曲边内凹蜂窝结构具有负泊松比效应，该结构的吸能能力高于其他弧角所对应的正泊松比蜂窝结构的吸能能力，该现象与冲击速度无关。
考虑变形热和摩擦热效应的热力耦合冲压研究
聂昕1;肖兵兵1;申丹凤2;郭文峰1
2020, 31(16):  2005-2015.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.16.014
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以DP780材料为研究对象，在20~140 ℃温度区间、0.001~0.1 s-1应变速率区间内进行恒温拉伸试验，分析了真实应力-应变变化趋势，建立了基于Norton-Hoff模型的材料本构方程，该本构方程能够较好地表征DP780在冷成形过程中与温度相关的塑性本构关系。结合Norton-Hoff本构模型，以及与温度、压力相关的摩擦模型，采用理论研究与数值模拟结合的方式，研究DP780钢板变形热和摩擦热的自发热产生机理和宏观特征。根据完全热力耦合数值模拟理论，考虑将温度场和应力场、应变场等进行耦合分析，提出一种考虑变形热和摩擦热效应的冲压成形研究方法。通过U形件冲压试制试验，得到DP780钢板冷成形条件下的试验回弹结果。对比传统冷冲压模拟结果和考虑自发热效应研究方法下的模拟结果发现，考虑自发热效应的冲压成形模型在模拟侧壁时准确性提高了10.1%，在模拟法兰时准确性提高了23.2%。
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2020, 31(16):  2016. 
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